干旱脅迫對4 個(gè)油茶品種光合特性的影響

董 斌，韋雪芬，藍(lán)來嬌，黃永芳，薛 立，賴嬌嬌，陸潔芳

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)與風(fēng)景園林學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510507）

干旱影響植物的生存、生長和分布，是制約農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一，每年都給全球許多國家造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[1]。油茶Camellia oleifera，作為我國種植面積最大的木本油料作物，雖然被歸為耐旱樹種，但其一般被栽植于南方丘陵山地的干旱環(huán)境[2]，該區(qū)域難以開展人工灌溉，干旱仍然是制約油茶種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素[3]。自然界中，干旱環(huán)境能對植物的光合作用產(chǎn)生影響[4]，能通過氣孔限制和非氣孔限制2 種因素導(dǎo)致光合作用下降[5]，持續(xù)干旱脅迫能進(jìn)一步抑制光合作用光反應(yīng)中心電子傳遞、光能轉(zhuǎn)換、光合磷酸化及光合作用暗反應(yīng)等一系列過程[6]，影響植物的正常生長，甚至導(dǎo)致其死亡。

當(dāng)前，針對油茶開展的光合生理研究主要集中在光合效能方面，如：吳方圓等[7]、袁軍等[8]、廖文婷等[9]和范亞芳等[10]分別對產(chǎn)自江西、海南、湖南、廣西等地的油茶優(yōu)良無性系開展了研究，了解不同油茶品種在正常栽培條件下的光合效能。但是，有關(guān)干旱脅迫條件對油茶光合作用影響的研究鮮見報(bào)道。研究干旱脅迫條件下油茶的光合特性，能從光合作用層面了解其耐旱機(jī)制，進(jìn)而有效地對耐旱品種進(jìn)行高效篩選。當(dāng)前僅馮士令等[11]和黃拯等[12]分別針對2年生長林系列3個(gè)品種和7年生長林4 號在干旱脅迫下的光合特性開展了研究。為進(jìn)一步豐富該方面的研究數(shù)據(jù)，本研究中采取PEG 6000 模擬持續(xù)干旱脅迫環(huán)境，然后進(jìn)行短期復(fù)水處理，測定廣西4 個(gè)油茶優(yōu)良品種的光合指標(biāo)，并利用隸屬函數(shù)分析法對其抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)。

1 材料與方法

1.1 供試苗木

試驗(yàn)材料為產(chǎn)自廣東農(nóng)墾熱帶作物科學(xué)研究所的桂無1 號、桂無4 號、岑軟2 號、岑軟3 號的1年生苗，引回后在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)林研究中心苗圃中繼續(xù)培育。將所有苗木移植入12 cm×8 cm 的育苗袋中，在保持光、溫、水、土、肥等環(huán)境條件一致的條件下統(tǒng)一培育6 個(gè)月。隨后挑選長勢接近的健壯植株進(jìn)行后續(xù)脅迫試驗(yàn)。幼苗生長情況見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 干旱脅迫處理

為保持環(huán)境條件一致性，4 個(gè)品種所有的脅迫試驗(yàn)均在BIC-250 智能型人工氣候室進(jìn)行，光照強(qiáng)度設(shè)置為2 500 lx，保證14 h 光照和10 h 黑暗，并將溫度控制在(25±2) ℃，濕度控制在75%～85%。將根部已洗凈的油茶苗固定于3 個(gè)裝有5 L 新鮮1/2 Hoagland 營養(yǎng)液的塑料盆中緩苗2 d，并以緩苗2 d 后的時(shí)間點(diǎn)作為對照。緩苗后，將3個(gè)塑料盆分別裝入由新鮮的1/2 Hoagland 營養(yǎng)液和不同量PEG6000 配制而成的脅迫處理液中，設(shè)置輕度脅迫10%（100 g/L PEG）、中度脅迫20%（200 g/L PEG）和重度脅迫30%（300 g/L PEG）共3 種脅迫強(qiáng)度。各脅迫強(qiáng)度均設(shè)4 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，其中12、24、36 h 為持續(xù)干旱脅迫，48 h 為復(fù)水處理，即持續(xù)脅迫36 h 后將脅迫溶液換回新鮮的1/2 Hoagland 營養(yǎng)液并對油茶苗繼續(xù)培養(yǎng)12 h。

表1 4個(gè)油茶品種幼苗基本情況Table 1 Basic information of four clones of C.oleifera seedlings

1.2.2 光合生理指標(biāo)測定

采用Licor-6400（LI-COR，USA）便攜式光合系統(tǒng)分析儀，選用標(biāo)準(zhǔn)葉室（2 cm×3 cm）規(guī)格，在開放氣路下測定光合參數(shù)。干旱脅迫和對照中均隨機(jī)挑選生長狀況基本一致的5 株油茶無性系植株，在每株幼苗的第4～6 位功能葉間選定1 枚葉片掛牌標(biāo)記，進(jìn)行不離體測試。需選擇生長成熟、長勢良好、無病蟲害的葉片，為盡量減少環(huán)境條件對試驗(yàn)的準(zhǔn)備性的影響，測定時(shí)間控制在早晨8:30—10:30 和晚上20:30—22:30。記錄幼苗葉片凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr），并計(jì)算水分利用率（WUE）。光照強(qiáng)度設(shè)置為1 000 μmol·m-2s-1，溫度設(shè)置為25～28 ℃，空氣流量設(shè)置為500 μmol·s-1。

每枚葉片測定3 次，取平均值。

水分利用率（WUE）的計(jì)算公式為：

RWUE＝Pn/Tr。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對凈光合速率（Pn）的影響

干旱脅迫對4 個(gè)油茶品種凈光合速率（Pn）的影響如圖1所示。由圖1可見，在干旱脅迫環(huán)境條件下，各脅迫強(qiáng)度處理的Pn值在脅迫初期快速大幅降低，4 個(gè)油茶品種在12 h 均顯著低于對照（P＜0.05），且接近最小值。隨著脅迫時(shí)間的持續(xù)，4個(gè)油茶品種的Pn值總體均呈逐步下降的變化趨勢，且下降幅度較小。總體而言，4 個(gè)油茶品種中，岑軟2 號和岑軟3 號在輕度脅迫下Pn的降幅相對較小。復(fù)水12 h 后，岑軟3 號輕度脅迫處理的增幅較顯著。

圖1 干旱脅迫對凈光合速率的影響Fig.1 Effect of drought stress on net photosynthetic rate

2.2 干旱脅迫對氣孔導(dǎo)度（Gs）的影響

干旱脅迫對4 個(gè)油茶品種氣孔導(dǎo)度（Gs）的影響如圖2所示。由圖2可見，桂無1 號和桂無4號的初始Gs較岑軟2 號和岑軟3 號的高。干旱脅迫12 h 后，4 個(gè)油茶品種的Gs均快速降低且顯著低于對照（P＜0.05），且隨著脅迫時(shí)間的延長持續(xù)處于較低值。尤其是桂無4 號，輕度脅迫處理12 h 后，Gs已經(jīng)降低到最低值，與后續(xù)時(shí)間點(diǎn)差異不顯著；相應(yīng)地，岑軟3 號輕度脅迫Gs的降幅較其余3個(gè)品種小，呈現(xiàn)逐步降低的梯度變化趨勢。復(fù)水處理12 h 后，岑軟3 號輕度脅迫Gs增幅明顯，其余品種及處理均變化不顯著。

圖2 干旱脅迫對氣孔導(dǎo)度的影響Fig.2 Effect of drought stress on stomatal conductance

2.3 干旱脅迫對胞間CO2 濃度（Ci）的影響

干旱脅迫對4 個(gè)油茶品種胞間CO2濃度（Ci）的影響如圖3所示。由圖3可見，在各脅迫強(qiáng)度處理初期，4 個(gè)油茶品種的Ci呈輕微下降趨勢，隨著脅迫時(shí)間的持續(xù)，除岑軟2 號中度和重度脅迫處理中Ci持續(xù)增加外，其余3 個(gè)油茶品種各脅迫強(qiáng)度處理中Ci整體呈現(xiàn)“先降低后升高”的變化趨勢。脅迫處理36 h 后，桂無1 號、桂無4 號和岑軟3 號的各脅迫強(qiáng)度處理中Ci均低于對照，但岑軟2 號高于對照，其中度和重度脅迫處理甚至顯著高于對照（P＜0.05）。復(fù)水處理12 h 后，桂無1 號和桂無4 號各脅迫強(qiáng)度處理中Ci繼續(xù)上升至對照水平，與對照差異不顯著，而岑軟2 號和岑軟3 號的Ci呈現(xiàn)下降趨勢，且大部分處理顯著低于對照（P＜0.05）。

圖3 干旱脅迫對胞間CO2 濃度的影響Fig.3 Effect of drought stress on intercellular CO2 concentration

2.4 干旱脅迫對蒸騰速率（Tr）的影響

干旱脅迫對4 個(gè)油茶品種蒸騰速率（Tr）的影響如圖4所示。由圖4可見，桂無1 號和桂無4號的初始Tr較岑軟2 號和岑軟3 號高，顯示岑軟系列的2 個(gè)品種具有更強(qiáng)烈的蒸騰作用。在干旱脅迫過程中，各品種不同脅迫強(qiáng)度下的Tr值均顯著低于對照（P＜0.05），且始終維持在較低水平，尤其是桂無4 號在脅迫處理12 h 后，Tr值已下降至接近最低值。相應(yīng)地，桂無1 號輕度脅迫處理，岑軟2 號輕度脅迫處理，岑軟3 號輕度和中度脅迫處理的Tr值均呈現(xiàn)逐步下降的變化趨勢，其中以岑軟3 號輕度脅迫處理的梯度變化狀態(tài)最為顯著。復(fù)水處理12 h 后，除岑軟3 號輕度脅迫Tr值顯著上升外（P＜0.05），其余品種各脅迫強(qiáng)度仍繼續(xù)降低。

2.5 干旱脅迫對水分利用效率（WUE）的影響

干旱脅迫對4 個(gè)油茶品種水分利用效率（WUE）的影響如圖5所示。由圖5可見，岑軟2 號和岑軟3 號的WUE 整體較桂無1 號和桂無4 號高。在干旱脅迫下，各品種在不同脅迫時(shí)間的WUE 的變化較為波動，在桂無1 號中度和重度脅迫處理中，桂無4 號輕度和中度脅迫處理中呈現(xiàn)“先升高，后下降”的變化趨勢，桂無1 號在輕度脅迫處理中、桂無4 號在重度脅迫處理中、岑軟2 號在各脅迫強(qiáng)度處理中呈現(xiàn)下降或波動下降的變化趨勢，岑軟3 號在各脅迫強(qiáng)度處理中呈現(xiàn)“先下降，后升高”的變化趨勢。復(fù)水處理12 h 后，除桂無4 號中度、重度脅迫處理以及岑軟2 號中度脅迫處理外，其余處理WUE 均顯著升高（P＜0.05）。

2.6 幼苗抗旱性的綜合評價(jià)

模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法能夠綜合各個(gè)影響因素，對植物的綜合抗性進(jìn)行比較全面的評價(jià)[13-14]。本研究采用隸屬函數(shù)法對4 個(gè)油茶品種的抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)，針對凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、水分利用效率這5 個(gè)生理指標(biāo)的抗旱隸屬函數(shù)分析結(jié)果見表2。

圖4 干旱脅迫對蒸騰速率的影響Fig.4 Effect of drought stress on transpiration rate

圖5 干旱脅迫對水分利用效率的影響Fig.5 Effect of drought stress on water use effciency

表2 不同干旱強(qiáng)度下4 個(gè)油茶品種各測定光合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值Table 2 Subordina function values of determined photosynthetic indices of four C.oleifera clones under different drought intensities

對4 個(gè)品種油茶幼苗在干旱脅迫下光合指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)計(jì)算處理。其中岑軟3 號的隸屬函數(shù)平均值大于0.5，抗旱能力較強(qiáng)；其余3 個(gè)品種的隸屬函數(shù)平均值均小于0.5，說明其抗旱性較弱。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，4 個(gè)油茶品種的抗旱性由高到低依次為岑軟3 號、岑軟2 號、桂無4 號、桂無1 號。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

本研究中Pn、Gs、Tr、Ci和WUE 這5 種生理指標(biāo)的總體變化趨勢顯示，岑軟3號的抗旱性最強(qiáng)，桂無1 號和桂無4 號的抗旱性較弱。在復(fù)水試驗(yàn)中，岑軟3 號光合生理指標(biāo)表現(xiàn)出較明顯的恢復(fù)能力，表明其在干旱環(huán)境條件下適應(yīng)能力最強(qiáng)。對4 個(gè)油茶品種的5 個(gè)光合生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)綜合評定結(jié)果顯示，抗旱性排序由強(qiáng)至弱依次為岑軟3號、岑軟2 號、桂無4 號、桂無1 號。

3.2 討 論

光合作用是植物最基本也是最重要的生理過程，是地球生命能量的關(guān)鍵來源[15]。干旱脅迫引起植物適應(yīng)性保護(hù)，過度脅迫導(dǎo)致植物光合系統(tǒng)受到破壞，進(jìn)而影響植物光合作用的正常進(jìn)行[16]。

干旱脅迫下，凈光合速率（Pn）是植物光合能力最直接的體現(xiàn)，直接決定著植物光合作用的強(qiáng)弱以及植物在干旱脅迫下的適應(yīng)能力[17]，氣孔導(dǎo)度（Gs）也是影響植物抗旱能力的重要指標(biāo)，其關(guān)閉及時(shí)與否對植物的抗旱能力起著重要作用[18]。各油茶品種不同脅迫強(qiáng)度處理12 h 后Pn和Gs均顯著降低，Pn降低顯示干旱快速對植物光合系統(tǒng)造成影響，光合速率快速下降；Gs降低表明植物通過關(guān)閉氣孔減少自身水分的散失，以增強(qiáng)其對干旱條件的耐受能力。干旱脅迫引起Pn降低的因素主要有氣孔限制和非氣孔限制兩大類[19]，氣孔限制是由于干旱脅迫引起氣孔部分關(guān)閉，減少甚至阻止CO2進(jìn)入葉片，進(jìn)而導(dǎo)致Pn和胞間CO2濃度（Ci）值降低；非氣孔限制是由于植物體內(nèi)光合器官活性降低導(dǎo)致Pn和Ci值升高。因此，Ci的變化趨勢可以作為氣孔因素影響光合速率變化的主要依據(jù)，也可以從側(cè)面反映Pn和葉片CO2的利用率[20]。4 個(gè)油茶品種在干旱脅迫下均出現(xiàn)Ci顯著下降的變化趨勢，表明在脅迫前期，Pn下降主要是由于氣孔因素引起的，隨著脅迫的持續(xù)，Ci出現(xiàn)增高，表明在干旱脅迫的后期，4 個(gè)油茶品種的光合系統(tǒng)均受到損傷，逐步轉(zhuǎn)變成非氣孔因素引起的Pn下降。這個(gè)結(jié)果與李生平等對葫蘆科黃瓜Cucumis sativus開展干旱脅迫的研究結(jié)果一致[21]。

在干旱脅迫下，植物吸水受阻導(dǎo)致體內(nèi)水分缺乏，蒸騰速率會逐漸減緩，以維持植物基本代謝活動，這是植物抵御干旱脅迫的防御機(jī)制[22]，氣孔導(dǎo)度是蒸騰速率大幅度下降的主要原因。本試驗(yàn)中，桂無1 號和桂無4 號的初始Gs和Tr均較岑軟2 號和岑軟3 號高，表明桂無系列2 個(gè)品種耗水量較大，維持正常生理活動需要的水較岑軟系列2 個(gè)品種多，此結(jié)論也能從對水分利用率（WUE）指標(biāo)的分析中得以驗(yàn)證。4 個(gè)油茶品種的Gs和Tr在脅迫初期顯著降低，表明干旱脅迫對其正常生理活動產(chǎn)生了影響。其中，岑軟3 號Gs和Tr降低幅度均較其余3 個(gè)品種緩，表明其抵御干旱脅迫的能力更強(qiáng)，能夠在同等脅迫強(qiáng)度下保持較高的氣孔開放率和較好的吸水能力，使植物進(jìn)行氣體交換和保持水分吸收，以維持光合作用的正常進(jìn)行[23]。

WUE 是反映植物有效利用水分的能力，是植物在單位耗水量產(chǎn)出同化量的一個(gè)重要生理生態(tài)參數(shù)[24]。植物能夠通過減少氣孔開度和降低蒸騰速率來提高水分利用效率[25]，干旱脅迫下具有高的WUE 值是植物具有較強(qiáng)抗旱能力的重要指標(biāo)[26]。岑軟2 號和岑軟3 號0 h 的WUE 較桂無1 號和桂無4 號初始WUE 高，顯示前二者具有更高效的水分利用的先天優(yōu)勢，能在消耗同等水量的情況下同化更多的CO2，積累更多光合產(chǎn)物。岑軟2 號和岑軟3 號在干旱脅迫條件下仍能保持相對較高的WUE，表明其能更高效地利用水分來應(yīng)對干旱的不利條件，抗旱性較強(qiáng)。復(fù)水處理后，桂無1 號和桂無4 號各脅迫強(qiáng)度處理中，以及岑軟2 號和岑軟3 號中度和重度脅迫處理中的各光合指標(biāo)無明顯變化。而岑軟2 號和岑軟3 號品種在輕度脅迫處理下，Gs、Pn、Tr、WUE 有不同程度的恢復(fù)跡象，顯示岑軟系列2 個(gè)品種有一定的旱后恢復(fù)能力，尤其是岑軟3 號，各指標(biāo)恢復(fù)跡象顯著，表明其具有較強(qiáng)的干旱適應(yīng)能力。

在干旱脅迫下，本研究中的4 個(gè)油茶品種5種光合生理指標(biāo)均發(fā)生顯著變化，顯示干旱脅迫引起了油茶的生理反應(yīng)。但是，植物的抗旱性是一個(gè)受多種因素共同影響的復(fù)雜綜合性狀，光合生理指標(biāo)的變化僅能從相對單一的層面反映植物的抗旱能力。此外，本研究中采取PEG 模擬脅迫的方式，脅迫時(shí)間較短，后續(xù)可結(jié)合土壤栽培進(jìn)一步開展植物解剖、熒光生理、生理生化等多指標(biāo)的綜合研究，更深入、更全面地了解各油茶品種的抗旱能力。